中外五校联合顶刊丨高强度冷喷涂增材制造金属材料的方法、机理和力学性能研究

13天前浏览1054

摘要

正文

冷喷涂增材制造作为一种固态增材制造工艺，越来越受到科学界和工业界的关注。然而，由于沉积物固有的微观结构缺陷（例如，孔隙率和不完全的颗粒间结合），与传统制造和基于熔合的增材制造对应物相比，冷喷涂沉积物在制造状态下通常具有不利的机械性能。这一缺点降低了其竞争力并限制了其作为增材制造工艺的广泛应用。在过去的几年中，研究人员开发或引入了许多强化技术来调整冷喷涂沉积物的微观结构并提高其机械性能。

爱尔兰都柏林圣三一大学的殷硕教授团队、德国赫尔穆特·施密特大学、广东省科学院新材料研究所谢迎春高级工程师、扬州大学张超教授和西北工业大学李文亚教授等中外五校团队联合在国际著名期刊《Journal of Materials Science & Technology》上发表最新综述文章 “Towards high-strength cold spray additive manufactured metals: Methods, mechanisms, and properties”，对金属冷喷涂增材制造的强化技术进行详细阐述。

该文中的术语“强化”特指提高机械强度，特别是冷喷涂块状沉积物的拉伸强度。根据强化技术在冷喷涂工艺中应用的阶段，可分为三类：预处理（如粉末热处理）、过程中（如粉末加热、现场微锻）、激光辅助冷喷涂）和后处理（例如后热处理、热等静压、热轧、搅拌摩擦处理）。该综述对这些强化技术进行全面审查，以阐明强化机制与所得沉积物微观结构和力学性能之间可能的相关性，旨在帮助研究人员和工程师更好地理解不同的强化方法，并为冷喷涂界为未来高质量批量生产制定新的强化策略提供指导。

Graphical abstract

论文主要研究亮点：

1）冷喷涂沉积物强化策略的首次回顾。

2）强化可以通过处理前、处理中和处理后策略来实现。

3）大多数工艺仅提高沉积物的密度和强度。

4）基于热机械的工艺可提高强度和延展性。

图 1. 冷喷涂沉积物的机械性能与其他工艺制成的块状对应物的数据比较：(a) Cu 和 (b) Ti

图 2. 冷喷涂沉积物可用强化技术示意图。根据这些强化技术在冷喷涂过程中应用的阶段，强化技术分为三类，即前处理、中处理和后处理。(a) 粉末热处理，(b) 过程粉末加热，(c) 现场微锻造，(d) 激光辅助冷喷涂，(e) 后热处理，(f) 热等静压，( g)热轧，和(h)搅拌摩擦加工

图 3. 气雾化粉末和热处理粉末之间的比较。(a) 气雾化 Al 6061 粉末的 EBSD 表征，显示出具有树突状细胞的不均匀晶粒，热处理粉末显示出粗晶粒，(b) 气雾化和固溶热处理 Al 7075 颗粒的冲击形态在 Al 6061-T6 基底上的结果，(c) 由气雾化和热处理粉末制成的冷喷涂 Al-2Cu 沉积物的 SEM 图像和 EBSD 结果，(d) 的应力应变曲线两种使用雾化和热处理粉末生产的 Al 6061 沉积物

粉末加热前后冷喷涂层的显微组织和力学性能比较

冷喷涂作为一种新兴的固态增材制造工艺，由于其相对于传统的基于熔合的增材制造工艺具有独特的优势，在各个工业领域具有巨大的潜力。近年来，已经开发或引入了许多冷喷涂强化技术，以克服其固有的缺点，例如所得沉积物的强度和延展性不佳。本文首次从强化机制以及强化沉积物的微观结构和力学性能的角度对这些强化技术进行了全面的综述。大量报道证实这些强化技术能够改善冷喷涂镀层的显微组织和力学性能，但不同的强化方式会产生不同的强化效果。研究还表明，每种强化方法都有独特的优点和缺点，如表4所示。因此，在使用每种方法强化冷喷涂沉积物之前，有必要充分了解每种方法。

原位微锻造辅助冷喷涂沉积层的组织和力学性能

激光辅助冷喷涂(LACS)和常规冷喷涂制备的镀层的显微组织和物相

不同冷喷涂层在加工状态和退火状态下的组织和力学性能

各种强化方式的优点及缺点

未来，强化冷喷涂沉积物的研究仍将是一个主要的研究课题。由于延展性差仍然是一个具有挑战性的问题，因此应努力开发新的强化方法来提高冷喷涂沉积物的延展性并明确相应的机制。一些可用的强化方法需要更多的研究来进一步验证其可行性，例如粉末热处理、过程中粉末加热和原位致密化。仍然缺乏适合改善沉积物机械性能以修复受损部件的现场强化技术，需要进一步研究。此外，高度鼓励可持续、经济、灵活和简单的新强化技术。

最后，作者的团队最近通过工艺参数优化（即改变气体压力和温度）成功制造了抗拉强度为271MPa、伸长率为43.5%的高质量块状铜沉积物。也有文献中报道的喷镀铜沉积物的UTS为286MPa且延展性为24%，两者的出色结合。如此高的机械性能相当于甚至优于通过本文所述的八种强化方法制造的沉积物。因此，在不久的将来，人们可能希望将重点从加强工艺/技术开发转向参数优化，并将结果从铜扩展到其他金属。

来源：增材制造硕博联盟